Onderzoekers hebben een geïntegreerde fotonische ontvanger ontwikkeld voor millimetergolven die bij kamertemperatuur een ruisniveau bereikt dat lager ligt dan de omgevingstemperatuur. Deze technologie kan de precisie van positioneringssystemen, atmosferische sensoren en radarsystemen in auto's aanzienlijk verbeteren.
De groeiende vraag naar hogere resolutie in radarsystemen en een grotere timingprecisie in positioneringssystemen heeft ertoe geleid dat ontvangers steeds vaker gebruikmaken van millimetergolven en terahertz-regimes. Een groot knelpunt bij deze hoge frequenties is echter de ruisprestatie van traditionele elektronische componenten. Volgens een wetenschappelijke publicatie op arxiv.org verslechteren de prestaties van veldeffecttransistoren, die doorgaans in lagedruklamplifiers worden gebruikt, snel door effecten zoals shot-ruis, beperkte mobiliteit van ladingsdragers en parasitaire effecten.
Een alternatief voor elektronische versterkers
Om deze beperkingen te omzeilen, hebben wetenschappers gezocht naar parametrische transducers. Deze systemen kunnen elektromagnetische signalen koppelen aan optische velden, wat in theorie een gevoeligheid mogelijk maakt die de kwantumlimiet nadert, zelfs bij kamertemperatuur. Hoewel elektro-optische materialen al langer worden onderzocht om radiofrequenties om te zetten in optische faseverschuivingen, waren ontvangers op basis van deze techniek tot nu toe niet in staat om de ruiscijfers van elektronische versterkers te evenaren.
In het recente onderzoek, dat is beschreven in de revisie van 1 november 2026 op , presenteren de auteurs een nieuwe oplossing: een ontvanger gebaseerd op een cavity elektro-optisch systeem op een fotonisch geïntegreerd circuit van lithiumtantalaat.
Technische prestaties en resultaten
De nieuwe ontvanger vertoont indrukwekkende technische specificaties. De on-chip efficiëntie voor de transductie van het aantal fotonen bedraagt 10 procent. Wat betreft de ruisprestaties bij een frequentie van 60,5 GHz rapporteert de studie dat de equivalente input-gerefereerde ruistemperaturen 110 K bedragen op de chip zelf. Voor het volledige systeem ligt deze waarde op $202^{+35}_{-33}\,\mathrm{K}$.
Deze resultaten betekenen dat de ruiscijfers nu concurrerend zijn met de huidige stand van de techniek voor elektronische lagedruklamplifiers in de V-band. De onderzoekers konden bovendien de thermische ruis in de cavity elektro-optische transducers analyseren. Hieruit bleek dat het systeem voornamelijk wordt beperkt door de optische vacuümruis en de thermische fotonbezetting (ongeveer 100) in de millimetergolf-caviteit, zonder dat er meetbare extra ruis optrad, aldus de details op .
Toekomstige toepassingen en voordelen
Het gebruik van geïntegreerde fotonica biedt naast de lage ruis ook andere strategische voordelen. De technologie is beter bestand tegen hoge radiofrequente vermogens en is compatibel met optische uitlezing op afstand. Dit maakt de cavity elektro-optica tot een schaalbare oplossing voor analoge verwerking in het optische domein.
De term "geïntegreerd" in deze context verwijst naar het combineren van verschillende componenten om de effectiviteit te verhogen, zoals ook beschreven in de definities van het cambridge.org. Door de ontvanger op een chip te integreren, ontstaat een systeem dat niet alleen compact is, maar ook bestand is tegen elektromagnetische interferentie.
Deze ontwikkeling legt een basis voor een nieuwe generatie chip-scale ontvangers voor millimetergolf-toepassingen. De combinatie van hoge gevoeligheid en robuustheid tegen interferentie kan leiden tot een versnelling in de ontwikkeling van geavanceerde sensortechnologieën. De volledige technische onderbouwing, inclusief 11 pagina's hoofdtekst en 45 pagina's aan aanvullende informatie, is beschikbaar via de open-access database van .